专利名称：：气体短程激光遥感信号快速处理电路的制作方法
技术领域：
：本实用新型属于属环境科学和光谱学
技术领域：
，主要涉及气体的激光遥测处理实现技术和电路。具体是一种气体短程激光遥感信号快速处理电路。用于易燃易爆气体的短程遥感检测和监测。
背景技术：
：气体监检测的手段主要是采用各类化学、金属氧化物以及红外瓦斯等置入式气体传感器。上述传统的气体传感器普遍存在着选择性差，灵敏度低等特点。而对于易燃易爆有毒等高危险气体，传统传感器的置入式特点造成了潜在的安全风险。近年来光谱方法的成熟和激光技术的实用化进步，使激光光谱遥感检测技术成功的用于高危气体的检测。激光光谱遥感气体检测的方法相对于传统的气体检测方法而言具有灵敏度高、选择气体单一和非置入气体监测现场的特点。基于激光遥感特点的检测或监测设备相比置入式气体检测技术具有最小的安全风险性，且装载到移动平台上可大幅的提升检测电路的工作效率。TakayaIseki(Aportableremotemethanesensorusingatunablediodelaser.Meas.Sc1.Technol.2000(11):594-602)首次在文献中提出了一种基于DSP便携激光遥测电路，J.Hodgkinson(Modellingandinterpretationofgasdetectionusingremotelaserpointer.SpectrochimicaActaPartA,2006(63):929-939.)对便携激光遥测性能进行了详细的分析。专利文献(US6356350)提出了一种光谱解调的数字化方法。从文献和专利可以了解到现有的激光驱动采用了连续的调制信号，这样造成在光电信号的处理中必须采用正交解调的方法。对于数字处理方法而言其处理速度受到数字芯片时钟和处理算法的长度限制。在给定的数字芯片时钟条件下，正交解调算法的结构是固定的。因此要进一步提高处理的速度，电路的响应时间受限，即限制了该技术搭载在移动平台的监测速度受到了限制，从而降低了激光监测的效率。本实用新型申请人在互联网上就本主题，在国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本实用新型密切相关和一样的报道或文献。
实用新型内容本实用新型的目的是针对目前气体的激光遥测电路处理响应时间无法有效适应监测平台高速移动的特点而造成的巡检效率低下的问题，提供一种快速响应，处理电路简化，信号处理时间大大降低，监测区间的动态检测效率高的气体短程激光遥感信号快速处理电路。下面对本实用新型进行说明本实用新型是一种气体短程激光遥感信号快速处理电路，包括有激光器、激光器驱动模块、光电探测模块、信号处理电路和相应的A/D或D/A转换电路，激光器驱动模块需由正弦载波和扫描斜坡信号叠加后驱动激光器工作，被测气体处于激光器与光电探测器之间，光电探测模块接收的模拟信号经A/D采样电路转换后送信号处理电路进行处理，本实用新型的信号处理电路为快速数字信号处理电路，快速数字信号处理电路包括有数字信号合成模块和快速数字信号处理模块，数字信号合成模块又包括有正弦数字存储信号、斜坡数字存储信号和数字信号合成单元，正弦数字存储信号和斜坡数字存储信号的并行输出到数字信号合成单元的输入端，数字信号合成单元的输出一路经D/A输出到激光器驱动模块，另一路输出作为A/D采样电路的同步信号，正弦数字存储信号同时也用于快速数字信号处理模块的乘法器一路输入；快速数字信号处理模块包括有乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器，依次相互连接，其中的乘法器同时接收A/D采样电路的输出和正弦数字存储信号，上述两信号相位的一致，快速数字信号处理单元的输出为用于表征气体的特征信号；所述快速数字信号处理单元中的相位校正模块和低通滤波器的信号处理仅需一路。本实用新型获取用于表征气体的特征信号的相位校正和低通滤波仅需一路，因为A/D采样电路的输出和正弦数字存储信号是同相位的信号，就不需考虑相位的影响，因此也省去了一路相位校正模块和低通滤波的设置，也即相位校正模块和低通滤波器仅需一路，电路结构得以简化，数据的处理速度得以提高。最后获取用于表征气体的特征信号。本实用新型对激光驱动输入信号进行合理的设计可以在后续数字信号处理中优化正交解调的两路步骤处理为一路步骤处理。由此加快了信号处理的速度，提高了监测电路的响应时间，可以用于高速移动的气体监测或高速移动的监测电路高效的工作。现有的激光驱动调制采用了连续的调制信号，造成在光电信号的处理中必须采用正交解调的方法实现满足表征气体的特征信号。正交解调检测是微弱光电信号检测常用方法。通过参考信号与接收信号的相乘实现窄带滤波。由于载波相位的不确定，利用正交原理消除相位的影响。信号处理需经过两路处理才可以获取用于表征气体的特征信号。本实用新型通过数字信号合成单元对正弦载波和扫描斜坡信号进行合成，使其固定的合成信号周期性重复作为激光驱动模块的输入信号，从而保证了每个重复周期的正弦载波相位的一致性。在周期合成信号输入激光驱动模块的起始发送一个同步触发信号。通过上述的技术处理，在同步触发信号的控制下，激光作用于光电探测模块产生的光电信号被A/D采样转换模块采集，送入数字信号处理模块进行处理。由于每次正弦载波信号相位的一致，在数据处理时仅需进行相对于正交解调方法两路中的一路进行信号处理。简化了电路结构，提高了处理速度，尤其是适应了数字信号处理的速度。本实用新型的实现还在于快速数字信号处理单元由数字信号处理芯片DSP实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。数字信号处理芯片DPS具有处理速度快，低功耗等优点，只需将乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器以程序的方式写入即可实现。本实用新型的实现还在于快速数字信号处理单元由可编程逻辑器件CPLD实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。可编程逻辑器件CPLD是另一种数字信号处理芯片，具有并行工作等特点，采用可编程逻辑器件CPLD实现快速数字信号处理单元的乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器也只需将所需电路以软件的方式写入即可，易更换，方便维修。本实用新型的实现还在于数字信号处理单元由可编程逻辑门阵列FPGA实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。采用可编程逻辑门阵列FPGA实现乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器，不仅成本低，易实现等优点。由于本实用新型针对气体的激光遥测移动速度慢而造成的巡检效率低下的问题，通过数字信号合成驱动、同步触发和快速+数字信号处理结合，优化基于调制半导体激光吸收光谱方法(TDLAS)的激光光谱信号的处理速度，提高基于激光光谱气体检测的响应时间。提供了一种信号的处理时间大大降低；区间的动态监测效率高；工作稳定可靠的快速短程激光遥感气体监测电路。本实用新型可广泛应用于气体检测和监测行业，也可应用于需要对相关气体进行检测和监测的工作环境或场合。图1为现有技术的正交解调原理框图；图2为本实用新型的原理框图；图3为本实用新型的延迟条件下的解调特征信号波形的仿真图。具体实施方式以下结合附图对本实用新型进一步详细说明实施例1:参见图2，本实用新型是一种气体短程激光遥感信号快速处理电路，参见图2，包括有激光器、激光器驱动模块、光电探测模块、信号处理电路和相应的A/D或D/A转换电路，激光器驱动模块需由正弦载波和扫描斜坡信号叠加后驱动激光器工作，被测气体处于激光器与光电探测器之间，光电探测模块接收的模拟信号经A/D采样电路转换后送信号处理电路进行处理，信号处理电路同时提取激光器驱动电路中的正弦载波信号作为解调参考信号，本实用新型的信号处理电路为快速数字信号处理电路，快速数字信号处理电路包括有数字信号合成模块和数字信号处理模块，数字信号合成模块又包括有正弦数字存储信号、斜坡数字存储信号和数字信号合成单元。数字信号合成单元输出的驱动信号是正弦扫描信号和斜坡载波信号合成后消除了相位差周期性驱动信号，数字信号处理模块包括有乘法器、积分器、相位校正和低通滤波器。激光器驱动模块驱动激光器工作输出光频率连续和光强正弦变化的激光，激光驱动模块需由快速数字信号处理电路中的数字信号合成单元产生正弦载波和扫描斜坡信号的叠加后送入激光器驱动模块，被测气体处于激光器与光电探测模块之间。A/D采样转换接收光电探测模块的光电模拟信号，同时接收数字信号合成单元的正弦触发信号，上述两信号相位的一致。A/D采样转换信号经信号合成单元的同步信号触发将光电探测模块的光电模拟信号转换为数字信号接入乘法器，乘法器对该数字信号与存储信号进行相乘运算，存储信号即数字信号合成单元中的正弦载波信号也就是同步触发信号，或者说存储信号与正弦载波信号同周期同相位；信号处理模块的乘法器将相乘结果接到积分器进行运算，积分运算后的信号依次经过相位校正和低通滤波器获取用于表征气体的特征信号，获取用于表征气体的特征信号的相位校正和低通滤波仅需一路。本例中，数字信号处理模块由数字信号处理芯片DSP实现。现有的激光驱动调制采用了连续的调制信号，造成在光电信号的处理中必须采用正交解调的方法。正交解调检测是微弱光电信号检测常用方法。通过参考信号与接收信号的相乘实现窄带滤波。由于载波相位的不确定，利用正交原理消除相位的影响。图2给出了现有技术中信号的正交解调检测的原理框图。由图2可见信号处理需经过两路处理才可以获取用于表征气体的特征信号。本实用新型通过数字信号合成单元对正弦载波和扫描斜坡信号进行合成，使其固定的合成信号周期性重复作为激光驱动模块的输入信号，从而保证了每个重复周期的正弦载波相位的一致性。在周期合成信号输入激光驱动模块的起始发送一个同步触发信号。通过上述的技术处理，在同步触发信号的控制下，激光作用于光电探测模块产生的光电信号被A/D采样转换模块采集，送入数字信号处理模块进行处理。由于每次正弦载波信号相位的一致，在数据处理时仅需进行相对于正交解调方法两路中的一路进行信号处理。见图2。本实用新型对于激光器驱动信号的合成处理，为进一步提高气体监测电路的快速响应，奠定了基础。该电路在使用时，将该电路的信号合成单元的输出端与激光器驱动调制输入端连接，光电探测器模块的输出端与该电路的A/D输入端连接。该电路与外接的激光器及激光器驱动电路、光电探测器，通过反射镜同轴方案放置激光器和光电探测器，可以将该电路和外接部件放置在一个便携的箱中，适用于各种移动监检测的需求。实施例2:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1，数字信号处理单元由数字信号处理芯片德州仪器(TI)的定点TMS320C55XX系列DSP实现，就是在数字信号处理芯片DSP上利用软件编程分别实现乘法器、积分器、相位校正和低通滤波器。以TMS320C55XX系列C5509a为例，实现气体短程激光遥感信号快速处理电路工作步骤如下l、C5509a外接A/D转换模块(例如=TI的ADS8325)、D/A转换模块(例如=TI的DAC8534)和LCD显示，其中A/D转换模块与光电探测模块连接，D/A转换模块与激光器驱动模块的调制输入端连接，LCD显示与C5509a的6PI0端口连接。2、C5509aDSP的工作设置，C5509a共有三个MCBSP(多通道缓冲串行端口)，设置其中一个为采集端口，该采集端口与DMA(直接存储器进入)连接，结合DMA地址可编程特点，实现数据的pingpang采集,该端口外接A/D转换模块；设置其中一个端口为数字合成信号单元的输出端，该输出端口与DMA相连，DMA的控制寄存器中设置正弦和斜坡数字叠加信号的地址，该端口外接D/A转换模块；设置其中一个端口为SD卡存储输入输出接口，用于处理数据的存储。3、设置定时器中断，用于同时启动一路DMA+MCBSP输出激光器驱动模块所需的调制信号和一路DMA+MCBSP采集光电探测器模块的信号。4、根据采集DMA+MCBSP通道的信号采集完成中断触发启动快速信号处理任务，该任务包括图2所示的快速信号处理单元的组成部分。5、根据快速信号处理任务完成设置的标志，启动检测结果的显示和存储任务。实施例3:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1-2，其中的数字信号处理单元由可编程逻辑器件CPLD实现，同样是通过软件编程实现乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。具体的功能实现类似于DSP的实现。实施例4:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1-3，其中的数字信号处理单元由可编程逻辑门阵列FPGA实现，通过软件编程构成乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。且相位校正模块和低通滤波器仅需一路。具体的功能实现类似于DSP的实现。实施例5:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1-4，本实用新型利用数字信号合成单元将正弦和斜坡信号合成后周期驱动激光器，在周期驱动起始传输一个脉冲信号给信号采集处理单元，触发信号采集工作开始，这样可保证相位延迟控制在2E-7s。图2给出了本实用新型给出的快速处理电路原理框图。激光信号经探测接收，在触发脉冲控制下数模转换后送入由DSP构成的快速数字信号处理电路，数字信号与存储在DSP中的载波信号相乘、积分、相位处理和低通滤波后输出。其中由于起始脉冲的控制保证了用于驱动的合成信号在相位上与存储在DSP中的载波信号相位一致。由此可以简化数字相敏检波算法的复杂度，加快信号的处理速度，进而适用于高速移动的检测目的。为了验证快速移动检测方法对信号解调特征线性的影响，利用仿真技术分析了微小相位变化对解调特征信号进行了分析。为了仿真微小相位延迟的影响，模拟中对实际的采样率扩大了10倍。对于实际采用的IOOksps采样率，采样点的间隔是实际光电接收延迟的100倍。考虑到光电探测器和数模转换电路的响应时间，把延迟时间扩大原来的十倍。图3中下三角线为无相位延迟的解调二次谐波吸收信号，实心圆线是本实用新型在相对于实际采样点间隔十分之一延迟的解调二次谐波信号，点线则是实际单个采样点延迟的解调二次谐波信号。仿真结果显示十分之一的延迟是与无延迟的基本重合，幅值相差I%。而相位延迟达到一个采样点时间时，幅值相差接近15%。仿真结果显示本实用新型与现有技术比较，因激光发射接收的时间延迟相对于采样延迟造成的信号误差可忽略不计，且同步触发进一步保证了调制参考信号和解调信号的相位起始误差，从而在短程遥测情况下简化了传统正交解调方法和电路，由此降低了信号的处理时间。实施例6:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1-5，可用于酒后驾驶途中的无人非接触监测。将该电路安装在道路上方，激光器和光电探测模块采用光学收发一体技术放置同一位置。利用激光遥测特性，激光通过挡风玻璃射入驾驶室实现驾驶人员是否饮酒检测，该快速监测电路特别适合于高速行车的监测。实施例7:气体短程激光遥感信号快速处理电路的构成同实施例1-5,可用于城市天然气管网泄漏安全监测。该电路安装在车载移动平台上，该电路的快速响应处理，能发挥汽车高速移动的特性，提高大范围区域的监测次数，从而提高检监测的效率。传统的正交解调单元因载波相位的不一致，需要正弦和余弦两路分别信号处理后，再经过低通、平方和开放运算方可实现特征信号。本实用新型数字信号合成单元将正弦载波和斜坡扫描信号合成为周期相位一致的信号重复驱动激光器。A/D采样转换模块在模数转换的同时接收合成信号中的正弦触发信号，两信号相位一致，数字信号处理电路完成数字信号的相乘、积分、相位校正和低通滤波，输出为表征气体的特征信号；相位校正和低通滤波仅需一路。通过数字信号合成驱动、同步触发和数字信号处理结合，降低了激光光谱气体检测的响应时间和信号处理时间；提高工作区间的动态监测效率；工作稳定可靠。本实用新型简化了调制信号处理的通道，进而成倍降低了信号处理的时间。提供了一种信号的处理时间大大降低；区间的动态监测效率高；工作稳定可靠的快速短程激光遥感气体监测电路。本实用新型可广泛应用于气体检测和监测行业，也可用于高速气体检测监测行业及需对气体进行监测的环境或场合。权利要求1.一种气体短程激光遥感信号快速处理电路，包括有激光器、激光器驱动模块、光电探测模块、信号处理电路和相应的A/D或D/A转换电路,激光器驱动模块需由正弦载波和扫描斜坡信号叠加后驱动激光器工作，被测气体处于激光器与光电探测器之间，光电探测模块接收的模拟信号经A/D采样电路转换后送信号处理电路进行处理，其特征在于所述信号处理电路为快速数字信号处理电路，快速数字信号处理电路包括有数字信号合成模块和快速数字信号处理模块，数字信号合成模块又包括有正弦数字存储信号、斜坡数字存储信号和数字信号合成单元，正弦数字存储信号和斜坡数字存储信号的并行输出到数字信号合成单兀的输入端，数字信号合成单兀的输出一路经D/A输出到激光器驱动模块,另一路输出作为A/D采样电路的同步信号，正弦数字存储信号同时也用于快速数字信号处理模块的乘法器一路输入；快速数字信号处理模块包括有乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器，依次相互连接，其中的乘法器同时接收A/D采样电路的输出和正弦数字存储信号，上述两信号相位的一致，快速数字信号处理单元的输出为用于表征气体的特征信号；所述快速数字信号处理单元中的相位校正模块和低通滤波器的信号处理仅需一路。2.根据权利要求1所述的气体短程激光遥感信号快速处理电路，其特征在于所述快速数字信号处理单元由数字信号处理芯片DSP实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。3.根据权利要求1所述的气体短程激光遥感信号快速处理电路，其特征在于所述数字信号处理单元由可编程逻辑器件CPLD实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。4.根据权利要求2所述的气体短程激光遥感信号快速处理电路，其特征在于所述数字信号处理单元由可编程逻辑门阵列FPGA实现，其中包括乘法器、积分器、相位校正模块和低通滤波器。专利摘要本实用新型是气体短程激光遥感信号快速处理电路，包括激光器、激光器驱动、光电探测、A/D采样转换和快速数字信号处理电路，电路中的数字信号合成单元将正弦载波和斜坡扫描信号合成为周期相位一致的信号重复驱动激光器。A/D采样转换模块在模数转换的同时接收合成信号中的正弦触发信号，两信号相位一致，数字信号处理电路完成数字信号的相乘、积分、相位校正和低通滤波，输出为表征气体的特征信号；相位校正和低通滤波仅需一路。通过数字信号合成驱动、同步触发和数字信号处理结合，降低了激光光谱气体检测的响应时间和信号处理时间；提高工作区间的动态监测效率；工作稳定可靠。用于高速气体检测监测行业及需对气体进行监测的环境或场合。文档编号G01N21/39GK202903675SQ201220496999公开日2013年4月24日申请日期2012年9月18日优先权日2012年9月18日发明者常岐海申请人:西藏民族学院